重庆市沙坪坝区大气臭氧浓度变化规律

张文斌　谭　丽　王赞春　文　圣　赵定梅

(1.重庆市沙坪坝区环境监测站，重庆 400038；2.中国环境监测总站，北京 100012；3.重庆市江北区环境监察支队，重庆 400025)



重庆市沙坪坝区大气臭氧浓度变化规律

张文斌1谭丽2*王赞春1文圣1赵定梅3

(1.重庆市沙坪坝区环境监测站，重庆 400038；2.中国环境监测总站，北京 100012；3.重庆市江北区环境监察支队，重庆 400025)

沙坪坝区属于典型的平行岭谷低山丘陵区，根据近3年沙坪坝区近地表面大气中臭氧(O3)浓度的观测数据，分析O3浓度的分布特征及时间变化规律。结果表明，沙坪坝区地面臭氧浓度呈现明显的季节变化规律，在4～9月维持相对较高浓度，其他月份则维持较低浓度。O3浓度日小时值变化与近地面大气光化学过程密切相关，呈明显的单峰型变化规律，一般在16:00左右达到峰值。地面O3浓度随空间而变化，高家花园和虎溪O3浓度较低，龙井湾O3浓度较高，这可能是因为龙井湾监测点周围有家具企业排放挥发性有机物产生光化学反应生成了臭氧，导致局部地区臭氧浓度偏高。

臭氧城市大气山地城市浓度变化

臭氧(O3)是氧气(O2)的同素异形体，为一种氧化剂，是地球大气中一种重要的微量气体，大气中90%以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层，只有10%存在于对流层[1]。从臭氧的性质来看，具有双面性，一方面臭氧层是地球上一切生物包括人类在内的天然屏障。它几乎完全吸收掉了来自太阳的致命的紫外线UV-C(波长小于295 nm)和紫外线UV-B(波长在295～320 nm之间)，而只透过对地球生命有益的紫外线UV-A(波长大于320 nm)，使得地球上的万物繁衍生息，人类也在臭氧的关爱下自由健康地生活[2]，另一方面高浓度的地面O3将增加城市光化学烟雾的频率，影响人类健康，导致农作物减产，对生态环境造成严重的危害，除此之外它还是温室效应气体之一，能助长气候的变迁[3-6]。沙坪坝区位于长江经济带西部中心枢纽重庆市西南部，东滨嘉陵江，西抵缙云山，是重庆市科教文化区，城市人口和工业非常密集，认真研究沙坪坝区O3浓度的变化规律，对了解沙坪坝区局地气候变化和大气污染状况是十分有利的。本文通过对2013年到2015年沙坪坝区三个环境空气质量自动监测站 (高家花园、虎溪、龙井湾)O3浓度的分析，研究沙坪坝地区O3浓度的时空分布及其变化特征。

1　材料和方法

1.1站点分布

目前沙坪坝区设有2个国控环境空气自动监测点—高家花园(北纬29°33'57.99",东经106°28'1.01",可以代表东部区域)和虎溪(北纬29°35'54.05",东经106°17'42.70",可以代表西部区域)，1个市控环境空气自动监测点—龙井湾(北纬29°34'22.41",东经106°24'16.59",可以代表中部区域)，均属于环境空气功能区的二类区。臭氧监测数据由这3个环境空气自动监测点获得，沙坪坝区空气自动监测站分布见图1。

图1　沙坪坝区空气自动监测站分布

1.2监测仪器

对大气中O3浓度24小时连续观测，使用O3自动监测仪，原理为O3分子吸收波长为253.7nm的紫外光，该波段紫外光被吸收的程度直接与O3的体积分数相关，根据检测样品通过时紫外光时被吸收的程度来计算出O3体积分数。分析仪最低检测限：0.4×10-9；零点漂移：小于0.5×10-9/24h，小于1×10-9/7天；跨度漂移：小于0.5 %/24h，小于 1%7天。

2　结果与讨论

一般来说，生成O3的光化学过程可以用(R1)～(R3)来表示，同时，O3还可以由一些光化学反应去除，如(R4)～(R8)[7]。

HO2+NO→OH+NO2(R1)

RO2+NO→φNO2+HO2(R2)

NO2+hv→NO+O3(R3)

O3+NO→NO2+O2(R4)

O3+hv→O1D+H2O→2×OH(R5)

O3+OLE(烯烃)→products(R6)

O3+OH→HO2+O2(R7)

O3+HO2→OH+O2(R8)

NO2+OH→HNO3+O2(R9)

O3的生成过程中过氧自由基(HO2、RO2)氧化NO产生NO2(φ表示RO2氧化NO生成NO2的产率)，NO2随后光解产生O3。受温度、光照和太阳辐射等的影响，光化学反应在夏季节比较强烈，因此O3在夏季较高，冬季较低。

2.1臭氧浓度的月变化规律

将沙坪坝区区域近3年观测的O3日最大8小时平均浓度数据按月进行统计，得到的最大值、最小值、上四分位数、下四分位数和中位数均计算出平均值，应用箱线图进行统计分析，如图2所示，图中直线代表O3日最大8小时平均浓度的二级标准限值。4月开始沙坪坝区O3浓度已经出现明显的上升，7月O3平均浓度达到一年中的峰值，并在8～9月一直维持较高的浓度，10月O3浓度开始下降。

图2　臭氧浓度月均变化曲线(2013-2015年)

2.2臭氧浓度的日变化规律

图3为沙坪坝区2013～2015年期间观测的O3日浓度的日变化规律。可以看出，O3浓度以1年为周期呈现明显的季节变化规律，一般在夏季较高，而在冬季维持在较低水平，这主要是由该地区的太阳辐射、气温等气象条件的季节变化造成的。沙坪坝区属于老工业城区，汽车制造、电子工业、家具制造等工业较为发达，使得市区的一次污染物浓度较高，在适宜的气象条件下很容易出现局部的光化学污染。另外，重庆市沙坪坝区处于四川盆地东部，地貌归属于盆东平行岭谷低山丘陵区，自西向东分布有缙云山、中梁山两列背斜低山，其间为宽缓的向斜丘陵台地，同时常年处于中亚热带季风性湿润气候区，静风多，风速较小，风力微弱，散热能力差，不利于大气污染物的水平输送和扩散，使污染物容易在市区内积聚，造成高浓度污染。

图3　沙坪坝区近3年臭氧浓度日变化规律(2013～2015)

2.3臭氧浓度日小时值变化特征

图4为沙坪坝区2013～2015年期间观测的O3浓度日小时值变化曲线。可以看出，O3浓度日小时值变化与近地面大气光化学过程密切相关，呈明显的单峰型变化规律。1天当中夜间臭氧浓度维持较低水平，主要是因为夜间生成的臭氧的化学反应较弱(R1～R3)，而NO通过反应(R4)不断消耗O3。早晨08:00开始，随着太阳辐射的增大和温度的升高，生成O3的光化学反应强烈，浓度开始积累升高，在16:00左右达到峰值。当阳光变弱时O3浓度开始下降，到夜里O3即被NO消耗殆尽，23:00以后变化趋于平缓，并维持在一个较低水平直至第2天日出。

图4　臭氧浓度O3浓度日小时值变化曲线(2013～2015年)

2.4地面臭氧浓度随空间变化

图5为2015年沙坪坝区地面臭氧浓度随空间变化情况。可以看出，高家花园、虎溪、龙井湾监测点的O3年平均浓度分别为62、75、92μg/m3,高家花园、虎溪、龙井湾监测点的O3年小时最大浓度分别为232、263、343μg/m3。即高家花园和虎溪O3浓度较低，龙井湾O3浓度较高，这可能是因为龙井湾监测点周围有家具生产企业，其使用的有机溶剂类挥发，而挥发性有机物是城市大气光化学臭氧生成重要前体物[8-10]，在适当的条件下生成了臭氧，导致臭氧浓度偏高。

图5　沙坪坝区地面臭氧随空间浓度变化

3　结论

(1)沙坪坝区地面臭氧浓度呈现明显的季节变化规律，在4～9月维持相对较高浓度，其他月份则维持较低浓度。

(2)O3浓度日小时值变化与近地面大气光化学过程密切相关，呈明显的单峰型变化规律，一般在16:00左右达到峰值。

(3)地面O3浓度随空间而变化，高家花园和虎溪O3浓度较低，龙井湾O3浓度较高，这可能是因为龙井湾监测点周围有家具企业排放挥发性有机物产生光化学反应生成了臭氧，导致局部地区臭氧浓度偏高。

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Variation of ozone concentration in Shapingba district of Chongqing.

Zhang Wenbin1,Tan Li2*,Wang Zanchun1,Wen Sheng1,Zhao Dingmei3

(1.Shapingba District Environmental Monitoring Center,Chongqing 400038,China;2.China National Environmental Monitoring Center,Beijing 100012,China;3.Jiangbei District Environmental Monitoring Detachment,Chongqing 400025,China)

Based on the observed data of atmospheric ozone concentration near the ground surface in the last three years,the distribution characteristics and temporal variations of ozone concentration in Shapingba area were analyzed.The results showed that the seasonal variation of surface ozone concentration in Shapingba area is obvious.

ozone;urban atmosphere;mountainous city;concentration change

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA06A308)；重庆市沙坪坝区决策咨询与管理创新项目 (PJ20140043)

张文斌，男，1981年出生，工程师，主要研究方向为环境化学，E-mail:171302464@qq.com。

谭丽，女，硕士，E-mail:tanli@cnemc.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.021

2016-05-25